Тот, кто в теме IoT, наверняка слышал про компанию Стриж. Это производитель беспроводных устройств класса LPWAN (Low-Power Wide-Area Network) для интернета вещей. Они разрабатывают системы телеметрии для ЖКХ, безопасности, «умных» городов и сельского хозяйства. Причем создают полный комплекс устройств, включая различные счетчики (электроэнергии, газа, воды), базовые станции, сервера сбора статистики и облачные интерфейсы доступа к данным, а все производство находится в России.
Главной их разработкой является радиопротокол XNB (Extended Narrowband). Благодаря работе в сверхузкой полосе XNB позволяет передавать сигнал в городе до 10 км. Он адаптирован для передачи сигнала мощностью до 25 мВт на частоте 868,8 МГц (не требует разрешений и лицензий).
Особенностью протокола является высокая проникающая способность. Конструкции зданий не являются серьезной преградой, а передача возможна из подвалов и через толстые стены, там где не «ловит» GSM.
Все данные передаются в зашифрованном виде, поддерживаются следующие алгоритмы шифрования: AES-128, XTEA-256, ГОСТ Р34.12-2015.
Что именно они производят
Основной список устройств выглядит так: однофазные/трехфазные электросчетчики, счетчики воды, газа, теплосчетчики, радиомодемы, базовые LPWAN-радиостанции, DevKIT XNB. В счетчиках примечательно то, что в условиях городской застройки они могут отправлять сигнал на расстояние до 10 км, а от одной встроенной батарейки емкостью 3600 мАч работать 10 лет.
Внешне эти приборы выглядят вот так:
Счетчик воды СВК 15-3-2 с радиомодемом «СТРИЖ» ДУ15 110 мм
Радиомодем «СТРИЖ», интегрированный с датчиком протечки
Базовая LPWAN-радиостанция «СТРИЖ»
Вот некоторые из ее характеристик:
- Радиус действия: до 10 км — городская среда; до 50 км — открытое пространство
- Чувствительность:
-142 дБм
- Частотный диапазон: 400 МГц — 1 ГГц, включая 433 МГц и 868,8 МГц
- Скорость передачи данных: Downlink 200, 500, 5000, 57600 бод/сек, Uplink 50, 4000 бод/сек
Еще в их арсенале есть комплект для разработчиков.
DevKIT XNB
В основе DevKIT лежит XNB модем, основанный на чипе Semiconductor ax8052f143 с архитектурой 8051 и богатой радиопериферией. На плате установлено две антенны: одна, передающая, работает на частоте 868,8 МГц, вторая, принимающая, — на частоте 446 МГц.
При разработке IoT-устройства не стоит беспокоиться о протоколе радиосвязи или шифровании, модем все сделает сам, ему нужно лишь передать данные по UART и команду на отправку. При получении данных модем также расшифрует данные и передаст их на обработку микроконтроллеру.
Для более серьезных задач есть возможность использовать SDK самого чипа Semiconductor ax8052f143 с библиотеками XNB. Это позволяет отказаться от внешнего управляющего микроконтроллера и снизить энергопотребление устройства в целом. Правда, придется приложить больше усилий при разработке прошивки.
С чего начинается разработка
Первый вариант — когда какой-либо производитель водо- или электросчетчиков обращается за добавлением к своим продуктам функций передачи показаний по радиоканалу. В этом случае каждая компания занимается разработкой/доработкой своей части, что ускоряет процесс в целом. Готовое «умное» устройство выходит уже через месяц, при этом работает один программист и один схемотехник, и большую часть времени устройство тестируется на стенде.
Второй вариант — устройство разрабатывается под требования поставщика электроэнергии или водоснабжающей компании. При таких заказах компания чаще всего должна участвовать в тендере, и с точки зрения финансов это наиболее затратный вариант. Но в случае победы все вложенные инвестиции окупятся. Например, по такой схеме Стриж работал с Мосэнергосбытом.
Сам процесс
Первый этап — формулировка технического задания. Для IoT устройств Стриж в него всегда входят такие требования, как длительная (порядка 10 лет) работа от батареи, дальность передачи данных в городе 10 км, на открытом пространстве — 50 км, тип связи (односторонняя или двусторонняя).
Затем начинается разработка схем. Специалисты придумывают компонентную базу, определяют расположение элементов внутри корпуса и места размещения антенн, выбирают материал корпуса, которой позволит обеспечить хорошие радиохарактеристики в том или ином конкретном случае.
Отечественные элементы поставщики привозят без предварительной оплаты, что сильно ускоряет производство. Радиочипы Semiconductor ax8052f143 закупаются напрямую у производителя большими партиями, что позволяет получить максимально низкую цену.
Печатные платы производятся в Зеленограде компанией «Резонит», которую знает, пожалуй, любой радиолюбитель.
В разработке постоянно находятся несколько устройств.
После выпуска платы за дело берутся программисты. Прошивку для устройства обычно пишет один человек. После этого устройство устанавливается на стенд и тщательно тестируется, поскольку впоследствии оно должно будет проработать без сбоев в течение нескольких лет. Мощность передачи сигнала не может превышать 25 мВт. Для контроля у каждого инженера есть осциллограф и средства для анализа радиоэфира. Если в течение месяца устройство работает без сбоев, разработка считается завершенной.
Поскольку каждое устройство уникально, во время разработки приходится решать много новых проблем. Больше всего разработчиков Стрижа заботит вот такой список задач:
- Взаимное влияние антенн
Счетчики воды или газа могут только отправлять сигнал (uplink) на базовую станцию и, соответственно, оснащены только одной антенной на 868,8 МГц. Электросчетчики, помимо отправки показаний, должны еще и принимать изменение тарифного расписания. Принимает сигнал (downlink) от базовой станции электросчетчик на частоте 446 МГц. Антенны должны располагаться таким образом, чтобы не мешать работе друг друга, при этом нужно не забывать про габариты устройства.
- Расположение антенны в устройстве
Для передачи радиосигнала на максимальную дальность антенна должна быть правильно сконструирована и расположена внутри корпуса. Тестирование антенн происходит в реальных условиях. Например, электросчетчик устанавливается в металлическом шкафу и отправляет данные при закрытой дверце. При этом внимание в первую очередь уделяется коэффициенту стоячей волны (КСВ) антенны и в меньшей степени — диаграмме направленности.
- Прогнозирование ухода частоты
Ширина полосы канала передающего устройства составляет всего 100 Гц. Узкополосный сигнал и высокая мощность на каждый бит обеспечивают хороший энергетический потенциал канала связи и высокую помехоустойчивость, но в то же время тут становится сложно попасть на правильную частоту при downlink. Поэтому с помощью сложных программных алгоритмов приходится прогнозировать уход частоты.
- Стоимость устройства
Чтобы не ухудшить характеристики, но при этом сэкономить на компонентах, постоянно приходится изобретать ноу-хау. Например, тот же блок питания для электросчетчика с 220 В на 12 В должен быть компактный, с хорошими выходными характеристиками. При этом стоить не дороже $2.
- Перегрев базовой радиостанции
Базовая LPWAN-станция представляет собой компьютер с ОС Linux Debian Jessie в герметичном противоударном корпусе с SDR-приемником и передатчиком и большой антенной. Она может эксплуатироваться в любом уголке России, поэтому требования к рабочей температуре очень серьезные: от -40 до +60 °С.
БС тестируется в специальной морозильной камере, а также в южных городах нашей Родины, где летом температура на солнце может достигать 50°С. Во всех случаях работа системы должна быть стабильной.
- Облако
Обычно нагрузка на облако идет равномерная, но если, например, базовая станция коттеджного поселка не сможет передать данные со счетчиков в сервис «СТРИЖ.Cloud» по причине обрыва интернет-кабеля, то она начинает накапливать их и после восстановления интернет-соединения может отправить более миллиона сообщений, что по сути является подобием DoS-атаки.
- Поддержка
Помимо основных функций по поддержке, на инженерах лежит задача по отслеживанию аномальной активности или наоборот, не активности абонентского оборудования. Если устройство давно не выходило на связь, то требуется выезд специалиста, который выяснит причину. Возможно, счетчик был накрыт металлической плитой, не пропускающей радиосигналы.
На случай вмешательства владельцев в работу устройства (например, остановку счетчика с помощью магнита) приборы оснащены датчикам магнитного поля и рядом других сенсоров.
Вот такой список забот есть сегодня у российских разработчиков IoT, которые, кстати, готовы поделиться своим опытом. Три специалиста Стрижа выступят на нашей январской конференции InoThings++ 2018. У Андрея Цислава, технического директора, будет доклад на тему «Разработка устройств IoT — то о чем не написано в книгах», руководитель интернет-разработки Сергей Аксенов раскроет тему «Антипаттернов разработки программных комплексов для интернета вещей», а Станислав Елизаров, руководитель отдела сетевой инфраструктуры, выступит c докладом «Почти надежные решения».
Не-не, не так. Мы приняли решение сделать первую конференцию для разработчиков интернета-вещей полностью бесплатной. Регистрируйтесь и приходите!
Комментарии (43)
rnj2000
15.01.2018 16:14Про интеграцию антенн в приборы почитал бы. Материалов на эту тему не так много. Сам занимаюсь численным моделированием антенн и их интеграцией в изделие.
olartamonov
16.01.2018 11:04Это уж очень узкоспециальная тема для конференции, такое скорее на каких-нибудь семинарах дистрибьюторов или производителей компонентов обсуждают, где посетителей человек двадцать-тридцать.
asm0dey
15.01.2018 19:17А поддержка ZigBee будет?
cvn
16.01.2018 14:52Единственное преимущество ZigBee перед XNB это самоорганизация сети. Для стационарных счетчиков весьма мало значимо. Зато десятки метров (ZigBee) против десятка километров (XNB) дальности в городе весьма существенный недостаток.
1 базовая станция на многоквартирный дом или на поселок (в интернет то надо через что-то выходить) + как можно менее требовательные к обслуживанию потребители.asm0dey
16.01.2018 15:37Ну тут как — если сейчас температура выше 30 градусов — перстать нагревать воду, например. датчик берём стандартный зигбишный, их миллион.
merc87
16.01.2018 14:52ZigBee не будет — «СТРИЖ» работает на протоколе XNB > https://strij.tech/protokol-xnb
Y1975
15.01.2018 20:15Ссылок не дам, но понял, что правительство в этом вопросе склоняется больше к подключению устройств мониторинга и учета через операторов сотовой связи. Стрижу лучше подготовиться к такому развитию событий.
lelik363
15.01.2018 23:19Они в либхире на минус тестируют? Это ж морозильник для еды.
SergeAx
16.01.2018 14:19Да :) Климатическая камера стоит тысяч 300-400. А морозильник охлаждает до -32 и еду, и радиомодем :)
lelik363
16.01.2018 14:25А в протокол на соответствие заявленным параметрам разработчик какие значения будет вписывать? -32 ± километр?
А на плюс в духовой печи тогда испытывают?olartamonov
16.01.2018 15:59В чём проблема сунуть в ту же камеру хороший термометр и в протоколе писать (-32 ± 0,5) °С?
lelik363
16.01.2018 22:43На попробовать может и сгодится, но не на сертификацию.
Ну и просто не удобно — низкая производительность. Нельзя провести полноценное испытание на смену температуры, допустим от -40 до +60.olartamonov
16.01.2018 23:03О полноценных испытаниях тут даже речи идти не может, конечно. Там же не только смена температуры — там и термоциклирование, и наработка статистики по какому-то значимому количеству экземпляров, и много всего интересного.
Ну и в любом случае я слабо представляю себе ситуацию, в которой разработчик конечного изделия серьёзно подпишется под температурными диапазонами выше, чем у отдельных комплектующих. А в RPI таки есть чипы, не специфицированные на работу ниже нуля.insekt
17.01.2018 06:41Насчет RPi не знаю, но вот на CM3 на CM3L заявляется -25...+80 С.
https://www.raspberrypi.org/documentation/hardware/computemodule/RPI-CM-DATASHEET-V1_0.pdfolartamonov
17.01.2018 15:41Как минимум USB-хаб и USB-Ethernet (это один чип) на RPi имеют диапазон 0...+70, это прямо написано в FAQ на официальном сайте.
Память также вряд ли стоит более стойкая, чем на CM3.
zenkz
15.01.2018 23:52Классно, что развиваете высокотехнологичное производство. Единственный недостаток — это небрежно сделанные корпуса. На фото со счётчиком воды видно, что шкала закреплена криво, а красная рамка нанесена небрежно. Если посмотреть на радиомодем, то сразу бросается в глаза пластик, выглядящий дёшево и одноразово. Да и цвет с формой также оставляют неприятное впечатление. Лучше бы уж он был белый и глянцевый. Именно из-за таких мелочей российские продукты вызывают нарекания, хотя может быть по сути внутри всё сделано отлично.
Со счётчиком электричества получилось противоположная история — устройство выглядит очень неплохо и современно, но нужна ли такая красота для устройства, которое будет жить где-то в железном ящике и если у него дистанционное снятие показаний, то возможно и видеть его будут раз в год. На мой взгляд было бы лучше установить дисплей большего размера (не обязательно матричный. можно и сегментный) — как на счётчиках Меркурий.SergeAx
16.01.2018 14:24Счетчик воды — самое массовое устройство. Каждый компонент максимально дешев. А практика показала, что белые устройства непрактичны — быстро пачкаются и потом выглядят неряшливо. Пока пользуемся арзамасскими счетчиками, а к концу года выпустим аккуратный водомер с красивым дизайном :)
Что до счётчика электричества, то по сравнению с предыдущим поколением мы увеличили ЖК дисплей, читаемость цифр на нём намного лучше, чем у "Меркурия". Большой делать не стали — им редко пользуются.
Barabek
16.01.2018 00:05Почему устройства, которые работают не через интернет называют IoT?
16tomatotonns
16.01.2018 04:34Подозреваю, потому что есть базовая станция, связанная с интернетом. Она и является истинно-IoT.
arcman
16.01.2018 09:56Тоже хотел увидеть в статье IoT, но его тут нет.
Такие устройства правильнее называть «умными» («smart»).
vvzvlad
16.01.2018 12:44А с чего вы взяли, что термин "интернет устройств" обязательно говорит о подключении устройств к "большому" интернету напрямую? Большинство протоколов напрямую в интернет не роутятся. Просто не могут — другие протоколы, принципы, физуровни. А те, что могут — зачастую тоже не подключаются напрямую, потому что проще/дешевле/удобнее создавать маленькие сети.
SergeAx
16.01.2018 14:29Термин "интернет вещей" не означает, что все "вещи" подключены к большому интернету. У нас есть внедрения, где сообщения от устройств вообще не покидают корпоративную сеть заказчика. В других конфигурациях мы можем использовать большой интернет как транспортную среду и, разумеется, для доступа конечных клиентов к нашему облаку.
WebDizi
16.01.2018 12:35Базовая станция на Raspberry Pi 3, у нее нет встроенной памяти (eMMC и т.п.), ОС работает прям с MicroSD карты. Ресурс стандартной MicroSD карты на запись достаточно не велик, как решаете данную проблему?
MicroSD read only?SergeAx
16.01.2018 15:05По возможности используем tmpfs и работаем в оперативной памяти. Если пропадает связь до сервера — пишем сообщения на флешку.
ionizator95
16.01.2018 14:52А можно ли где нибудь купить данный DevKIT XNB?
merc87
16.01.2018 15:15Завершаем тех документацию. «Железо» уже готово. Купить devkit можно будет в феврале — заказать на сайте.
melnikovav
16.01.2018 14:53Эту статью надо переместить в я пиарюсь. И переименовать в «Как разрабатывают и производят устройства компания „Срриж“» в статье нет сравнения технологий, и протоколов от аналогичных Российских изготовителей. Это чисто маркетинговая, обзорная статья что есть хорошего в железе от Стрижей.
Я 2 года работаю в иот подразделении крупной компании. И когда мы искали способ опроса счетчиков(электро, вода..) по радио то в том числе рассматривали и стрижей. Но сразу их отбросили по причине закрытости. Используя железо от стрижей вы сразу подписываетесь на то что вы не сможете поставить свою базовую станцию, стриж их не продают. И не сможете использовтаnь никакого ПО кроме «Облока» стрижей с абонентской платой. Тоесть покупая железку от стрижей. Ее можно включить только там где есть покрытие БС стрижей. И еще платите абоненку за использование ПО стрижей.
Кроме этого, изначально радиопротокол XNB работал только на аплоад. Тоесть это только сбор данных с датчиков, никакого управления. И позже стрижам пришлось переделывать свое железо и отдельно добавлять давнлоад.
Если интересуетесь иот железками работающими по радио LPWAN сетям. То лучше посмотрите в сторону iotvega.comSergeAx
16.01.2018 15:15Используя железо от стрижей вы сразу подписываетесь на то
что вы не сможете поставить свою базовую станцию, стриж их не продают.Это не так, мы продаём базовые станции. Управление устройствами давно есть. Абонентской платы за использование облака нет, если вы купили наши устройства. За два года многое изменилось :)
Sergio_54
16.01.2018 14:53«Особенностью протокола является высокая проникающая способность» — а можно поподробнее, как именно протокол (не длина волны!) влияет на проникающую способность?
merc87
16.01.2018 15:32протокол это не только алгоритмы, но и соглашения по реализации тех или иных особенностей: мощности передачи, ширины полосы… Все это влияет на бюджет канала, то есть напрямую влияет на проникающую способность сигнала от передающего устр-ва
timebox_camera
16.01.2018 14:53Вот тебе раз) под описанием базовой станции Стриж на фотографии Raspberry Pi 2|3 с кастомным шилдом (видимо собственная разработка). Проводились ли официальные температурные исследования? тк согласно спецификации самой Raspbery pi диапазон температур от 0, на не -40, а на сайте Стриж — от -40 +60.
merc87
16.01.2018 15:31испытываем и на минусовые температуры и на «жару», т.к. станции стоят и на севере, и в жарких регионах
SergeAx
16.01.2018 15:35Для резко отрицательных температур используется специальный монтажный бокс с активным подогревом. При -42 всё стабильно работало на прошлой неделе в одном отдалённом городе России)
timebox_camera
16.01.2018 21:32А без отопителя какие минимальные температуры держит? думаю многим диушникам будет полезно узнать каковы реальные температурные пределы на фоне длительной непрерывной работы при низких температурах
SergeAx
17.01.2018 01:01Станции предыдущего поколения пережили две предыдущие московские зимы на крышах многоэтажек. Не вспомню точно, но вроде кратковременно -20 держали. В обычных герметичных корпусах, без активного подогрева.
Nizametdinov
С конфы доклады почитать\посмотреть будет возможность?
olegbunin Автор
Да, всписывайтесь в список рассылки (на сайте) — будем делать рассылку.